JPH04253590A - 一定長レーザビーム発生装置及びそれを発生する方法 - Google Patents

一定長レーザビーム発生装置及びそれを発生する方法

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JPH04253590A
JPH04253590A JP3262562A JP26256291A JPH04253590A JP H04253590 A JPH04253590 A JP H04253590A JP 3262562 A JP3262562 A JP 3262562A JP 26256291 A JP26256291 A JP 26256291A JP H04253590 A JPH04253590 A JP H04253590A
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laser
reflector
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ジェラルド・ヒュー・スティーブンソン
Russell M Morgan
ラセル・エム・モーガン
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Praxair Surface Technologies Inc
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Union Carbide Coatings Service Technology Corp
Union Carbide Coatings Service Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、加工物を処理するため
の一定長レーザビーム発生装置に関するものであり、特
には固定レーザ発生源を使用してレーザビームを１８０
度方向転向するために第１の反射手段に差し向け、次い
で加工物にレーザビームを差し向けるように第２の反射
手段に差し向け、その場合反射手段の移動を加工物全長
にわたって同一方向にレーザ出力端と加工物表面との間
の距離が一定に維持されるように第１反射手段を第２反
射手段の速度の半分で移動するように同期化することを
特徴とする。本発明はまた、一定長レーザビームを発生
するための方法にも関係する。本発明は印刷ロールのよ
うなロール表面に一定模様のセルをレーザ彫刻するのに
適する。
【０００２】
【従来の技術】近年、レーザ発生装置は工業用途及び研
究用途両方において広範に使用されている。レーザは、
特殊光源でありそしてレーザ光は従来からの光源により
放出される光とは区別される多数の特別の性質を具備し
ている。レーザの特別の性質として特に、高度の平行性
、狭いスペクトル線巾、良好なコヒーレンス及び極めて
小さな点に収斂しうる収斂性等を挙げることが出来る。 これらの特別な性質により、レーザを使用するに適当な
用途が数多く存在する。そうしたレーザ用途の一つが、
インキその他の物質のような指定された量の液体を液体
移行物品から別の表面へと転写するべく、印刷業界で使
用されるロールのような液体転写物品をレーザ彫刻（小
さな凹所、即ちセルの形成）することである。印刷ロー
ルは通常、ロール表面部分に様々の寸法のセルをレーザ
彫刻することにより製造される。セルに液体が充填され
そして後液体が受取り表面に転写される。印刷ロールは
、どちらかというと長めであり、従ってロール表面をレ
ーザ彫刻するためにはロールの表面上にレーザビームを
差し向けるように配列された反射器キャリッジにレーザ
ビームを差し向ける固定レーザ発生装置が使用される。 ロールは一般に、反射器キャリッジがロールに沿ってそ
の長手軸線に平行に移動している間回転せしめられる。 この態様でロールは、或る特定の印刷用セル形態を与え
るようにレーザ彫刻される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記のレーザ彫刻方法
を使用するに当たっての一つの欠点は、ＣＯ２　レーザ
源が使用されるとき、ロールに沿っての反射器キャリッ
ジの移動に伴い、ロールの長さに沿ってそれぞれの波長
帯域で微細な線状の模様の発現（ライン・エフェクト、
ｌｉｎｅ　ｅｆｆｅｃｔ）が生じたことである。約２０
０ｍｍの間隔でバンドが発生しそして各バンド内で線が
２．８ｍｍ間隔で発生した。ロールの表面において彫刻
セルの寸法形態に見掛け上の差異が存在しないように見
えることもあるけれども、こうした線状模様はロール上
に見ることができそして時として印刷製品にも影響する
こともある。観察された線の影響に加えて、ビームの直
径及び収斂度の制御がロールの長さに沿っての一貫した
一定の彫刻を実現するためには必須であることが認識さ
れるようになった。これは、アプリケータロールのよう
な粗い彫刻製品に関して特に重要である。
【０００４】加工物の異なった領域を処理するのに一定
のレーザビーム長さを発生するようにレーザ発生装置と
共に使用のためのロボット腕装置が斯界で開示された。 ロボット腕の使用は様々の加工物を処理するのに一定の
レーザビーム長さを発生しうるけれども、これはレーザ
の分極を変更する恐れがある。加えて、ロボット腕は複
雑な装置であり、しかも非常に高価につく。
【０００５】本発明の課題は、様々の寸法及び形状の加
工物を処理するのに一定レーザビーム長を発生するため
の、レーザ発生源と共に使用されうる装置を開発するこ
とである。
【０００６】本発明のまた別の課題は、印刷ロールのよ
うな加工物をレーザ彫刻するために一定レーザビーム長
を生成するべく固定レーザ発生装置と共に使用しうる装
置を開発することである。
【０００７】本発明の更に別の目的は、コストを節約し
そして実施の容易な、加工物をレーザ処理するための一
定レーザビーム長を提供することの出来るレーザ発生装
置と共に使用しうる装置を開発することである。
【０００８】本発明のまた別の目的は、レーザビーム長
を一定に維持しつつ、固定レーザビーム源から様々の加
工物をレーザ処理する方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者は、２つの反射
器キャリッジを一定の関係で同期化して加工物に沿って
移動しつつレーザビームを加工物上に導くことにより一
定長のレーザを創りだすことによって上記の課題を解決
しうることを見出した。本発明は、レーザビームを受取
りそしてレーザビームを１８０度反射及び転向するよう
配列された少なくとも２つの反射表面を含む第１の可動
の光学的キャリッジと、前記第１の可動の光学的キャリ
ッジからレーザビームを受取りそして加工物上に該レー
ザビームを転向するよう配列された少なくとも一つの反
射表面を含む第２の可動の光学的反射器キャリッジと、
前記第１の可動の光学的反射器キャリッジ及び第２の可
動の光学的反射器キャリッジの同一方向への移動を該第
１の可動の光学的反射器キャリッジが該第２の可動の光
学的反射器キャリッジの速度の半分の速度で移動するよ
う同期化する駆動手段とを装備するレーザ発生手段と共
に使用される一定長レーザ装置を提供する。
【００１０】本発明はまた、 ａ）レーザビームを発生しそして該レーザビームを第１
の可動の反射器キャリッジに差し向けて１８０度転向し
て、該レーザビームを第２の可動の反射器キャリッジへ
と差し向けそして該レーザビームを加工物上に更に転向
する段階と、 ｂ）前記第１の可動の反射器キャリッジ及び第２の可動
の反射器キャリッジの移動を加工物全体にわたって同一
方向に該第１の可動の反射器キャリッジが該第２の可動
の反射器キャリッジの速度の半分の速度で移動するよう
に調節して同期化する段階とを包含し、以って固定レー
ザ発生装置を使用して一定長レーザビームを加工物の処
理中維持することを特徴とする加工物に対して一定長の
レーザビームを発生する方法を提供する。
【００１１】
【作用】第１及び第２の反射器キャリッジの移動を第１
の反射器キャリッジの速度が第２の反射器キャリッジの
速度の半分の速度で移動するようにそれらが加工物上を
同一方向に移動するよう同期化することは、固定レーザ
発生器源から加工物まで放射されるレーザの行路長さが
一定に維持されることを保証しそしてロボット腕装置を
使用する場合に起こりうるレーザの分極が変化しないこ
とを保証する。
【００１２】反射器キャリッジの同期化は、ベルト送り
及び歯車配列の組合せのような任意の従来技術を使用す
ることにより達成しうる。必須の要件は、第１の反射器
キャリッジが第１の反射器キャリッジの速度の半分の速
度で同一方向に移動させることである。上述したように
、ＣＯ２　レーザビームに対してレーザビーム長が一定
でないとき、レーザ彫刻中例えばセラミック被覆アニロ
ックスインキ転写ロールに線模様の発現が生じる。理論
に縛られるのを欲しないが、ＣＯ２　レーザ光の主波長
は１０．６ミクロンであるけれども、単一の可動反射器
キャリッジを使用する場合、９．６〜１１ミクロンの他
の波長も存在し、これらが干渉パターンを生じうると推
論される。２つの同期する可動の反射器キャリッジを使
用することにより、一定レーザビーム長が実現されて線
模様の発現を排除するのみならず、レーザビームの収斂
特性を向上するようにビーム直径の制御を可能ならしめ
る。一定長レーザビームは、一定焦点を一層容易に実現
する結果をもたらし、これは結局レーザ彫刻されたロー
ルにおけるセル形状の一様性を改善することになる。加
えて、一定長レーザビームを使用するとき設置及び設定
過程が容易となり同時に彫刻中レーザビームの再焦点合
わせの必要性を排除する。
【００１３】やはり理論に縛られるのを欲しないが、２
つのレーザキャビティ（レーザ光が往復する空洞）、即
ち物理的なレーザそれ自身内の一つのキャビティとレー
ザの外部でロール表面とレーザの出力ミラーとの間のも
う一つの外部キャビティとが存在すること考えることが
可能である。この外部キャビティは、キャリッジがロー
ルに沿って移動するにつれ、１０．６ミクロン波長周辺
で絶えず同調と非同調とをひとりでに繰り返している。 そこで、共振器キャビティがロール表面と出力ミラーと
の間に存在すると考えることが出来、光エネルギーがロ
ールから反射されそしてレーザ出力窓を経由してレーザ
自体に戻って結合する。この反射エネルギーは、レーザ
の安定性を妨害して出力変動を生じる。この変動がロー
ル上に目に見えるストライプを生じうるのである。
【００１４】
【実施例】本発明の一定長レーザビーム装置は、選択さ
れた分布模様の液体受容セルを備えるレーザ彫刻用印刷
シリンダロールに対して理想的に適合する。一般に、ロ
ールは選択された速度で回転せしめられそして２つの同
期化された反射器キャリッジがロールの長手軸線に平行
な方向においてロールの上部を移動せしめられる。反射
器キャリッジの移動はまた、所定の望ましい寸法輪郭を
有する彫刻セルをロール表面に付与するべく選択される
。
【００１５】本発明の好ましい具体例において、第１反
射器キャリッジは、互いに９０度を形成しそして第１ミ
ラーがレーザビームに対して４５度の角度において配置
されるように配列された２つの反射ミラーを使用する。 従って、レーザビームが第１ミラーに入射するとき、レ
ーザビームは反射されそして９０度転向され、第２ミラ
ーに入射する。第２ミラーは、レーザビームを更に９０
度転向するので、レーザビームはその放射源方向に平行
な方向に戻って反射される。反射したレーザビームはそ
の後、第２反射器キャリッジにおける反射ミラーに差し
向けられ、ここには該反射ミラーがレーザビームを加工
物表面上に転向するよう好ましくは４５度の角度で配置
されている。こうして、本発明装置と共に固定レーザ源
発生装置を使用することにより、一定長さを有するレー
ザビームが加工物の様々の異なった領域を処理するよう
に発生せしめられる。
【００１６】高出力レーザビームは金属質ミラーを損傷
する恐れがあるから、レーザと共に使用のための大半の
ミラーは、多層誘電性コーティングを有するものとして
構成される。ミラーは、透明基板上に誘電材料の薄い層
を順次真空付着することにより作製することが出来る。 幾つかの代表的材料としては、二酸化チタン、二酸化ジ
ルコニウム、弗化マグネシウム及び弗化トリウムを挙げ
ることが出来る。詳しくは、ミラーは、高い屈折率を有
する材料と低い屈折率とを有する材料とを交互の層とし
て蒸着することにより作製することが出来る。各層は、
使用される波長の１／４に等しい光学的厚さ（物理的厚
さ×屈折率）を有しうる。層の屈折率と数の適正な選択
は、ほぼ任意の所望の反射性を有するミラーの製造を可
能ならしめる。これら多層ミラーは、従来からの金属質
ミラーより高出力レーザ光による損傷をはるかに受けに
くい。通常、レーザキャビティは、ほぼ１００％反射性
である一つのミラーと、部分反射性で且つ部分透過性で
ある別の一つのミラーとから構成されて、レーザの有用
出力として光の一部の放出を可能ならしめる。
【００１７】広く様々のレーザ装置がロールのような加
工物にセルを形成するのに利用しうる。一般に、１０〜
３００μ秒期間０．０００１〜０．４ジュール／レーザ
パルスのビーム或いはパルス放射を発生することの出来
るレーザが使用されうる。レーザパルスは、所望される
特定の模様に依存して３０〜２０００μ秒間隔を置かれ
る。もっと高い或いはもっと低いエネルギー値及び時間
も使用できそして斯界で容易に得られる他の種レーザ彫
刻技術も本発明に対して使用されうる。
【００１８】本発明は、シリンダ或いはロール上に配置
されたセラミック及び金属炭化物表面を彫刻するのに使
用するのに理想的に適合しうるけれども、本発明が円筒
状表面のみならず平坦表面のような他の種表面において
も使用しうることを理解すべきである。好ましくは、液
体転写ロールに対しては、ロールは、パルスレーザ彫刻
されうる任意の材料で被覆されたアルミニウム乃至鋼製
基体から構成することができる。高融点金属、酸化物或
いは金属炭化物並びにその組合せのような適当なセラミ
ックコーティングがロールの表面に被覆されうる。例え
ば、炭化タングステン−コバルト、炭化タングステン−
ニッケル、炭化タングステン−コバルト・クロム、炭化
タングステン−ニッケル・クロム、クロム−ニッケル、
酸化アルミニウム、炭化クロム−ニッケル・クロム、炭
化クロム−コバルト・クロム、タングステン−チタン炭
化物−ニッケル、コバルト合金、酸化物分散型コバルト
合金、酸化アルミニウム−酸化チタン、銅基合金、クロ
ム基合金、酸化クロム、酸化クロム＋酸化アルミニウム
、酸化チタン、チタン＋酸化アルミニウム、鉄基合金、
酸化物分散型鉄基合金、ニッケル及びニッケル基合金そ
の他が使用できる。好ましくは、酸化クロム（Ｃｒ２Ｏ
３）　、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）　、酸化珪素
、或いはその混合物がコーティング材料として使用でき
、中でも酸化クロムが最も好ましい。
【００１９】セラミック或いは金属炭化物コーティング
は、２つの周知の技術、即ち爆発銃プロセス及びプラズ
マコーティングプロセスのいずれかによりロール等の金
属表面に被覆されうる。爆発銃プロセスは周知でありそ
して米国特許第２，７１４，５６３；４，１７３，６８
５；及び４，５１９，８４０号に詳しく記載されている
。基材を被覆するための従来からのプラズマ技術は、米
国特許第３，０１６，４４７；３，９１４，５７３；３
，９５８，０９７；４，１７３，６８５；及び４，５１
９，８４０号に記載される。プラズマプロセス或いは爆
発銃プロセスいずれかにより被覆されるコーティングの
厚さは０．５〜１００ミル（０．０１〜２．５４ｍｍ）
の範囲でありそして粗さはプロセス即ち爆発銃或いはプ
ラズマ、コーティング材料の型式及びコーティング厚さ
に依存して約５０〜１０００Ｒａ　の範囲をとる。
【００２０】ロール等のセラミック或いは金属炭化物コ
ーティングは好ましくは、エポキシシーラント、例えば
ユニオンカーバイト社から市販されるＵＣＡＲ１００エ
ポキシ（登録商標）のような適当な孔封止剤を使用して
処理される。この処理は、孔を封止して水分その他の腐
食性物質がセラミック或いは金属炭化物コーティングを
通して浸透してロール等の下側鋼構造体を侵食しそして
劣化するのを防止する。
【００２１】ここで図面を参照すると、図１は、固定位
置において示されるレーザ発生源２を示し、これはレー
ザビーム４を第１の可動の反射器キャリッジ６に放射す
る。第１の反射器キャリッジ６は、レーザビームの軸線
に対して４５度で配置される第１反射ミラー８を備える
ので、レーザビームは４’として９０度下方に転向され
て第２の反射ミラー１０に入射する。第２反射ミラー１
０は転向レーザビームミラー４’の軸線に４５度をなし
て配置され、レーザビームを４”として９０度転向し、
それによりレーザビーム４”をレーザ発生源２の方に戻
して最初のレーザビーム４の軸線に平行に差し向ける。 転向レーザビームと整列して、レーザビーム４”に対し
て４５度で配置される反射ミラー１４を有する第２の可
動のキャリッジ１２が存在している。レーザビーム４”
が反射ミラー１４に入射するに際して、レーザビーム４
”はロール１６として概略示する加工物上に下方に９０
度転向される。
【００２２】図１から明らかなように、反射器キャリッ
ジ６及び１２は、反射器キャリッジ６が反射器キャリッ
ジ１２の半分の速度で左方に移動するので、レーザビー
ム長は一定に維持される。即ち、反射器キャリッジ１２
が例えば４インチ（１０．２ｃｍ）移動すると、反射器
キャリッジ６は２インチ（５．１ｃｍ）左に移動し、従
ってレーザビームの全長は一定に維持される。
【００２３】反射器キャリッジ１２の移動は、従来型式
のステップモータ２０から作動されるリードネジ推進ロ
ッド１８を使用するものとして示されている。リードネ
ジ推進ロッド１８は、リードネジロッド２４に結合され
る２：１の減速比を有するベルト駆動系統２２と連結す
るように伸延する。操作態様において、モータ２０は反
射器キャリッジ１２を進行せしめそして同時に反射器キ
ャリッジ６を進行せしめるが、但し、反射器キャリッジ
６はリードネジロッド２４に対する２：１の減速比を有
するベルト駆動系統の使用により反射器キャリッジ１２
の速度の半分で移動する。多くの他の従来型式の手段が
、反射器キャリッジ６及び１２の移動を同期化するのに
使用できそして反射器キャリッジ６の速度の減速は反射
器キャリッジ１２の速度の１／２とするのに使用されう
る。
【００２４】（比較例及び実施例）セラミック被覆ロー
ルを従来型式のレーザ装置により発生せしめたレーザビ
ームに対して４５度で配置した一つのミラーを有する唯
一つの可動の反射器キャリッジを使用して従来態様で処
理した。各ロールを回転しながら、反射器キャリッジを
ロールの長手軸線に平行にロールに沿って移動してロー
ル表面に多数のセル形成した。ロールの検査に際して、
約２００ｍｍの間隔で現われそして各２．８ｍｍの間隔
で発生する線状模様が観察された。同等のセラミック被
覆ロールを図１に示したような２つのキャリッジを使用
したことを除いて同態様で処理した。レーザ彫刻後、ロ
ールを検査したところ、線状模様の発生は認められなか
った。加えて、ロール長さに沿っての焦点の設定調整は
、唯一つの従来からの或いは標準的な技術を使用しての
ロールレーザ彫刻に対して必要とされたのと対照的に必
要でなっかた。
【００２５】
【発明の効果】一定レーザビーム長が実現されて線状模
様の発現を排除するのみならず、レーザビームの収斂特
性を向上するようにビーム直径の制御を可能ならしめる
。一定長レーザビームは、一定焦点を一層容易に実現す
る結果をもたらし、これは結局レーザ彫刻されたロール
におけるセル形状の一様性を改善することになる。加え
て、一定長レーザビームを使用するとき設置及び設定過
程が容易となり同時に彫刻中レーザビームの再焦点合わ
せの必要性を排除する。こうして高品質のレーザ彫刻が
可能となる。
【００２６】以上、本発明の具体例に関して説明したが
、本発明の範囲内で多くの変更を為しうることを理解さ
れたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う２つの可動反射器キャリッジを使
用する一定長レーザビーム装置の概略図である。
【符号の説明】
２　　レーザ発生源 ４　　レーザビーム ４’　　転向レーザビーム ４”　　転向レーザビーム ６　　第１の可動の反射器キャリッジ ８　　第１反射ミラー １０　　第２反射ミラー １２　　第２の可動の反射器キャリッジ１４　　反射ミ
ラー １６　　加工物 １８　　リードネジ推進ロッド ２０　　ステップモータ ２２　　ベルト駆動系統 ２４　　リードネジロッド

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　レーザビームを受取りそしてレーザビ
    ームを１８０度反射及び転向するよう配列された少なく
    とも２つの反射表面を含む第１の可動の光学的反射器キ
    ャリッジと、前記第１の可動の光学的反射器キャリッジ
    からレーザビームを受取りそして加工物上に該レーザビ
    ームを転向するよう配列された少なくとも一つの反射器
    を含む第２の可動の光学的反射器キャリッジと、前記第
    １の可動の光学的反射器キャリッジ及び第２の可動の光
    学的反射器キャリッジの同一方向への移動を該第１の可
    動の光学的反射器キャリッジが該第２の可動の光学的反
    射器キャリッジの速度の半分の速度で移動するよう同期
    化する駆動手段とを装備するレーザ発生手段と共に使用
    される一定長レーザ装置。
  2. 【請求項２】　　第１の可動の光学的反射器キャリッジ
    が９０度をなして配置される２つの離間した反射ミラー
    を有し、そして第２の光学的反射器キャリッジが第１の
    可動の光学的反射器キャリッジの反射ミラーの一方と整
    列するよう配置される一つの反射ミラーを有する請求項
    １の一定長レーザ装置。
  3. 【請求項３】　　第１及び第２の可動の光学的反射器キ
    ャリッジの移動を同期化する手段がリードネジ推進系統
    である請求項１の一定長レーザ装置。
  4. 【請求項４】　　第２の可動の光学的反射器キャリッジ
    の反射ミラーが第１の可動の光学的反射器キャリッジの
    反射ミラーの一つと平行に配置される請求項３の一定長
    レーザ装置。
  5. 【請求項５】　　ａ）レーザビームを発生しそして該レ
    ーザビームを第１の可動の反射器キャリッジに差し向け
    て１８０度転向し、第２の可動の反射器キャリッジへと
    差し向け、そして該レーザビームを加工物上に更に転向
    する段階と、 ｂ）前記第１の可動の反射器キャリッジ及び第２の可動
    の反射器キャリッジの移動を加工物全体にわたって同一
    方向に該第１の可動の反射器キャリッジが該第２の可動
    の反射器キャリッジの速度の半分の速度で移動するよう
    に調節して同期化する段階と、を包含し、以って固定レ
    ーザ発生器を使用して一定長レーザビームを加工物の処
    理中維持することを特徴とする加工物に対して一定長の
    レーザビームを発生する方法。
  6. 【請求項６】　　段階ａ）において、第１反射器キャリ
    ッジ内にレーザビームの軸線に対して４５度の角度で第
    １反射ミラーを配列してレーザビームを９０度転向しそ
    して第１反射器キャリッジ内に該第１反射ミラーに対し
    て９０度で且つ転向レーザビームの軸線に対して４５度
    の角度で第２反射ミラーを配列して第１反射ミラーから
    の転向レーザビームを受取りそしてそれを９０度転向し
    、第２反射器キャリッジ内に第２反射ミラーからの反射
    レーザビームの軸線と４５度の角度で反射ミラーを配列
    しそしてレーザビームを加工物上に反射する請求項５の
    方法。
  7. 【請求項７】　　段階ａ）において、転向レーザビーム
    をシリンダ状加工物上に該加工物の長手軸線と９０度の
    角度で差し向ける請求項６の方法。
  8. 【請求項８】　　段階ｂ）において、シリンダ状加工物
    を回転せしめ同時に第１及び第２反射器キャリッジをシ
    リンダ状加工物に沿って該加工物長手軸線に平行に移動
    する請求項６の方法。
  9. 【請求項９】　　シリンダ状加工物が印刷ロールである
    請求項８の方法。
  10. 【請求項１０】　　印刷ロールがセラミック被覆印刷ロ
    ールである請求項９の方法。
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